El dióxido de zirconio (ZrO2), también conocido como zirconia (no confundir con el zircón), es un óxido cristalino blanco de zirconio. Su forma natural, con estructura cristalina monoclínica, es el mineral baddeleyita. La zirconia de estructura cúbica se estabiliza con un dopante y se sintetiza en varios colores para su uso como gema y simulante del diamante.
Producción, propiedades químicas y presencia La zirconia se produce calcinando compuestos de circonio, gracias a su alta termoestabilidad.
Estructura Se conocen tres fases: monoclínica por debajo de 1170 °C, tetragonal entre 1170 °C y 2370 °C, y cúbica por encima de 2370 °C.R. Stevens, 1986. Introduction to Zirconia. Magnesium Elektron Publication No 113
La tendencia es hacia una mayor simetría a temperaturas más altas, como suele ser el caso. Un pequeño porcentaje de óxidos de calcio o itrio se estabilizan en la fase cúbica. El mineral muy raro tazheranita, (Zr, Ti, Ca)O2, es cúbico. A diferencia del TiO2, que presenta titanio de seis coordinaciones en todas las fases, la zirconia monoclínica consiste en centros de circonio de siete coordinaciones. Esta diferencia se atribuye al mayor tamaño del átomo de circonio en relación con el de titanio.
Reacciones químicas La zirconia es químicamente inerte. Solo se ve afectada por el ácido fluorhídrico concentrado y el ácido sulfúrico. Al calentarla con carbono, se convierte en carburo de circonio. Si se calienta en presencia de cloro, se convierte en cloruro de circonio (IV). Este proceso es la base para la purificación del circonio metálico y es análogo al proceso Kroll.
Propiedades de ingeniería
El dióxido de circonio es uno de los materiales cerámicos más estudiados. El ZrO2 adopta una estructura cristalina monoclínica a temperatura ambiente y pasa a ser tetragonal y cúbica a temperaturas más altas. El cambio de volumen que se produce durante las transiciones de tetragonal a monoclínica y a cúbica induce grandes tensiones que provocan grietas al enfriarse desde altas temperaturas.
Cuando la zirconia se mezcla con otros óxidos, las fases tetragonales y/o cúbicas se estabilizan. Entre los dopantes eficaces se incluyen el óxido de magnesio (MgO), el óxido de itrio (Y2O3, itria), el óxido de calcio(CaO)y el óxido de cerio (III) (Ce2O3).
La zirconia suele ser más útil en su estado «estabilizado». Al calentarse, la zirconia experimenta cambios de fase disruptivos. Al añadir pequeños porcentajes de itria, estos cambios se eliminan y el material resultante presenta unas propiedades térmicas, mecánicas y eléctricas superiores. En algunos casos, la fase tetragonal puede ser metaestable. Si hay cantidades suficientes de esta fase, una tensión aplicada, amplificada por la concentración de tensión en la punta de una grieta, puede provocar la transformación de la fase tetragonal en monoclínica, lo que conlleva una expansión de volumen. Esta transformación de fase puede someter entonces la grieta a compresión, retardando su crecimiento y mejorando la resistencia a la fractura. Este mecanismo, conocido como endurecimiento por transformación, aumenta significativamente la fiabilidad y la vida útil de los productos fabricados con zirconia estabilizada.
La banda prohibida del ZrO2 depende de la fase (cúbica, tetragonal, monoclínica o amorfa) y de los métodos de preparación, con estimaciones típicas de entre 5 y 7 eV.
Un caso especial de circonio es el del policristal de circonio tetragonal, o TZP, que es indicativo de circonio policristalino compuesto únicamente por la fase tetragonal metaestable.
ZrO₂ estabilizado con 3 % de Y₂O₃ y ZrO₂ estabilizado con 5 % de Y₂O₃ Cuando el ZrO2 se estabiliza añadiendo un 3 % mol de óxido de itrio (3Y-ZrO2) a altas temperaturas (alrededor de 1500 °C), mejoran significativamente sus propiedades mecánicas, como la resistencia a la fractura, la resistencia a la flexión y la dureza. Esto se debe a que el 3Y-ZrO2 conserva una fase tetragonal metaestable a temperatura ambiente que, bajo una alta intensidad de tensión, sufre una transformación inducida por tensión a la fase monoclínica, lo que da lugar a un mecanismo de endurecimiento por transformación de fase.
Por el contrario, cuando el ZrO2 se estabiliza con un 5 % molar de óxido de itrio (5Y-ZrO2), se encuentra principalmente en fase cúbica y no experimenta un endurecimiento por transformación al aplicarle tensión. Como resultado, aunque el 5Y-ZrO2 presenta mejores propiedades ópticas, es decir, una mayor translucidez, debido a que hay menos límites de grano que dispersen la luz, sus propiedades mecánicas (resistencia a la fractura, resistencia y dureza) no mejoran de la misma manera que las del 3Y-ZrO2.
Galería
Véase también Zirconia cúbica
Referencias
Enlaces externos NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards
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